بيومتريال

خواص و ويژگي‌هاي ‏NiTi
در مجموعه ويژگي‌هاي ‏NiTi‏ خواص منحصر به ‌فردي از جمله حافظه‌پذيري و سازگاري با محيط بدن به چشم مي‌خورد كه آن را از ساير مواد متمايز كرده و كاربردهاي خاصي را براي اين تركيب به همراه آورده است. به‌طور كلي مي‌توان خواص و ويژگي‌هاي ‏NiTi‏ را به صورت زير بيان كرد:‏
* سوپر الاستيسيته (حافظه مكانيكي): تغيير شكل الاستيكي محض
* حافظه حرارتي: بازيابي شكل ماده بعد از حرارت ديدن
* پلاستيسيته غيرطبيعي: قابليت خمش بالاي ماده بدون شكست يا خستگي
* سازگاري با محيط بدن: مقاومت در برابر خوردگي بالا و هم زيستي عالي با محيط بدن
* مقاومت سايشي خوب و رفتار تريبولوژي ايده‌آل‏
خواص ‏NiTi‏ به‌طور قابل ملاحظه‌اي با كار مكانيكي و در حين عمليات حرارتي قابل بهبود است. چندين پارامتر براي بهبود اين خواص عمده وجود داردكه مهمترين آنها عبارت است از: ‏
1- تركيب شيميايي
2- ميزان كار سرد
3- پارامترهاي عمليات حرارتي
خواص مكانيكي ‏NiTi‏ به حالت فازي آن در يك دماي معين بستگي دارد. ‏NiTi‏ ‌‌در دماهاي مختلف مي‌تواند به صورت مارتنزيتي يا آستنيتي حاضر شود. در هر يك از اين حالتها ‏NiTi‏ رفتار مكانيكي متفاوتي را نشان مي‌دهد. حتي مقاومت الكتريكي و قابليت جذب صدا نيز با تغيير دما تغيير مي‌كند.‏
‏ همچنين با توجه به نمودار تنش-كرنش براي اين آلياژ (شكل 2 ) نمي توان مقدار دقيقي را براي مدول يانگ آن گزارش كرد. در حقيقت چندين مدول يانگ را مي‌توان برحسب نمودار تنش-كرنش اين آلياژ به دست آورد. اما نكته مهم‌تر اين است كه هيچ كدام از اين اعداد كاربرد محاسباتي ندارند (براساس الاستيسيته خطي). علت اين امر اين است كه محدوده تغييرات تنش در نمودار تنش- كرنش بين 1 تا 8 درصد داراي مدول يانگي نزديك به صفر است و بدتر از آن، اينكه اين مقدار در هنگام بارگذاري و عدم بارگذاري متفاوت است. تنها راه براي دستيابي به يك مقدار قابل استناد از اين مشخصه (مدول يانگ) استفاده از روش‌هاي المان محدود براي انتگرال گيري از يك ويژگي هيستروزين غيرخطي پتانسيل خوردگي است. مجموعه خواص ‏NiTi‏ به‌طور خلاصه در جدول 1 آورده شده است.

رفتار حافظه‌پذيري تركيب بين فلزي ‏NiTi ‎
معرفي آلياژهاي حافظه‌دار ‏

آلياژهاي حافظه‌دار يا ‏SMA1‏‌ها موادي هستند كه خصوصيات حافظه‌پذيري دارند. چنانچه يك آلياژ حافظه‌دار مقداري تغيير شكل دهد و سپس تا دمايي بالاتر از دماي تغيير شكلش گرم شود، مي‌تواند به شكل اوليه خود باز گردد. دماي تغيير فرم، دماي تبديل فاز آستنيت به مارتنزيت و بالعكس است. اين دو فاز، داراي خواص كاملا متفاوتي هستند.‏
اولين گام‌هاي گزارش شده به سمت كشف اثر حافظه‌پذيري به سال 1930 بر مي‌گردد. اولاندر و همكارانش رفتار سوپرالاستيك آلياژ ‏Au-Cd‏ را در سال 1932 كشف كردند. مورادين و گرينگر در سال 1938 ، تشكيل و ناپديد شدن فاز مارتنزيت را با كاهش و افزايش دماي آلياژ ‏Cu- Zn‏ مشاهده كردند. پديده اصلي اثر حافظه‌پذيري كه با رفتار ترموالاستيك فاز مارتنزيتي كنترل مي‌شود، به‌طور گسترده اي در يك دهه بعد توسط كردجامو در سال 1949، ونيز توسط چانگ و ريد در سال 1951، گزارش شد.
معرفي برخي آلياژهاي حافظه‌دار
- آلياژهاي تيتانيوم/ نيكل مثل نيتينول (‏Nitinol‏ ) و تينل (‏Tinel‏ )
- آلياژهاي آلومينيوم / روي / مس
- آلياژهاي نيكل / آلومينيوم / مس
- آلياژ كادميوم / نقره
- آلياژ كادميوم / طلا
- آلياژ قلع / مس
- آلياژ روي / مس
- آلياژ تيتانيم / اينديم
- آلياژ آلومينيوم / نيكل
- آلياژ آهن / پلاتين
- آلياژ مس / منگنز
- آلياژ آهن / منگنز / سيليسيم

‏ اصول حافظه‌پذيري تركيب ‏NiTi‏ ‏
علت اصلي رفتار سوپرالاستيك و حافظه‌دار شدن يك استحاله برگشت پذير حالت جامد (استحاله مارتنزيتي) است. در حاليكه همين دگرگوني براي انواع فولادهاي معمولي غيربرگشت پذير است. بنابراين نيروي محركه تغيير فاز، تحت تبريد نسبت به دماهاي بحراني و نيز نقش‌هاي مكانيكي به شمار مي‌روند. رفتار منحصر به‌فرد ‏NiTi‏ براساس تغيير شكل فازي وابسته به دماي آستنيت به مارتنزيت در مقياس اتمي است. بر اين اساس حافظه‌پذيري را تغيير شكل مارتنزيتي ترمو الاستيك نيز مي‌نامند. اين تغيير شكل كه باعث بازيابي شكل مي‌شود، نتيجه نياز ساختار شبكه كريستالي به تطابق با كمترين حالت انرژي براي دماي داده شده است. در ‏NiTi‏ تشابه‌هاي نسبي بين دو فاز منجر به يك تغيير شكل بسيار منظم مي‌شود، تا جايي كه تغيير مكان اتم‌هاي منفرد دقيقا قابل پيش‌بيني خواهد بود و سرانجام منجر به تغيير شكل در مقياس ماكروسكوپي مي‌شود.
آلياژ حافظه‌دار ‏NiTi‏ در دو ساختار كريستالي وابسته به دماي متفاوت مي‌تواند وجود داشته باشد ، مارتنزيت (در دماهاي پايين تر) و آستنيت (در دماهاي بالاتر يا فاز مادر). بسياري از خواص ‏NiTi‏ مارتنزيت و‏‎ NiTi‏ آستنيت كاملا با هم فرق دارند. زمانيكه ‏NiTi‏ مارتنزيت حرارت داده مي‌شود، شروع به تبديل به آستنيت مي‌كند. دماي آغاز اين پديده، دماي شروع آستنيت (‏As‏ ) ناميده مي‌شود. دمايي كه اين پديده كامل مي‌شود دماي پايان آستنيت (‏Af‏ ) است. زمانيكه ‏NiTi‏ آستنيت سرد مي‌شود شروع به تبديل شدن به مارتنزيت مي‌كند، دماي شروع اين پديده را دماي شروع مارتنزيت (‏Ms‏) و دماي تكميل اين پديده را دماي پايان مارتنزيت (‏Af‏) مي‌نامند. از نقطه نظر كاربردي، ‏NiTi‏ سه شكل مختلف مي‌تواند داشته باشد: مارتنزيت، مارتنزيت حاصل از تنش (سوپر الاستيك ) و آستنيت. دماهاي بحراني تغيير فاز به شدت به نوع بارگذاري و كار مكانيكي انتخاب شده وابسته است. شكل3 تغيير حالتهاي متالوژيك ‏NiTi‏ را تحت بارگذاري و تغيير دما نشان مي‌دهد. شكل4 نيز خاصيت حافظه‌پذيري را با تغيير دما نشان مي‌دهد. وقتي كه ماده در شكل مارتنزيت است، نرم و انعطاف‌پذير است و به آساني مي‌تواند تغيير شكل پيدا كند (چيزي شبيه مفرغ نرم (تركيب سرب و قلع )). ‏NiTi‏ در حالت مارتنزيت يك ماده سوپر الاستيك و بسيار كشسان است (مثل لاستيك) ، در حاليكه ‏NiTi‏ آستنيت كاملا سخت و محكم است (مثل تيتانيم). در واقع ‏NiTi‏ داراي هر دوي اين خواص است و حالت ثابت آنها بستگي به دمايي دارد كه ماده استفاده مي‌شود.‏
بايد توجه داشت كه كار سرد رفتار مكانيكيNiTi‏ را ارتقا مي‌دهد و دماي استحاله را كاهش مي‌دهد. به عنوان مثال يك ماده كار سرد شده نسبت به ماده اي كه كمتر كار سرد روي آن انجام شده اصطلاحا قدري سردتر است. هر ماده كار سرد شده، براي داشتن سوپرالاستيسيته يا حافظه‌دار شدن بايد از قبل عمليات حرارتي شود.‏
برنامه ريزي (حافظه‌دار كردن) تركيب ‏NiTi
استفاده از خاصيت سوپر الاستيك يا حافظه يك طرفه ‏NiTi‏ براي يك كاربرد ويژه نياز به قالب‌گيري يك تكه ‏NiTi‏ به شكل مطلوب دارد. سپس يك عمليات حرارتي ويژه انجام مي‌شود تا نمونه به شكل نهايي خود در آيد. عمليات حرارتي مذكور در مورد هر دو شكل سوپر الاستيك و حافظه‌دار ‏NiTi‏ مشابه است. پارامترهاي موثر بر عمليات حرارتي ( دما و زمان كافي ) براي هماهنگ كردن شكل و خواص قطعه مورد نياز هستند. اين پارامترها معمولا براي هر قطعه دلخواه بايد به‌طور تجربي تعيين شوند. بعضي از انواع سريع سرد كردن مثل كوانچ در آب يا سرد كردن سريع در هوا ترجيح داده مي‌شوند. دو نوع دستورالعمل (‏SME‏ يا ‏SIM‏) جهت آموزش حافظه دو طرفه مي‌تواند مورد استفاده قرار گيرد. در ‏SME‏ نمونه تا زير ‏Mf‏ سرد مي‌شود و به شكل دلخواه در آورده مي‌شود. سپس تا دمايي بالاتر از ‏Af‏ گرم مي‌شود و اجازه داده مي‌شود تا شكل آستنيتي خود را به دست آورد. اين روش 30-20 بار تكرار مي‌شود تا روش كامل شود. اكنون نمونه شكل برنامه‌ريزي شده خود را با سرد كردن زيرMf‏ و هر شكل ديگري را با گرم كردن بالايAf‏ به خود مي‌گيرد. در ‏SIM‏ ، نمونه درست بالاي دماي ‏Ms‏ خم مي‌شود تا متغيرهاي مرجع مارتنزيت حاصل از تنش توليد شود و سپس تا دماي زير ‏Mf‏ سرد مي‌شود. با گرم كردن بعدي تا بالاي دماي  ‏Af‏ نمونه شكل آستنيتي اصلي خود را مي‌گيرد. ‏
كاربردهاي تركيب ‏NiTi‏ در مهندسي پزشكي
‏ ‏NiTi‏ به دليل داشتن خواص ويژه اي چون حافظه‌پذيري ، سازگاري با محيط بدن و سوپر الاستيسيته ، بيشترين كاربرد را در صنايع پزشكي دارد.
كاربرد ‏NiTi‏ براي مصارف پزشكي اولين بار در سال 1970 گزارش شد. در اوايل 1980 اين نظريه بيشتر مورد توجه محققين قرار گرفت و در اواسط 1990كاربرد‌هاي ارتودنسي و بيشتر اورتوپدي آزمايشگاهي براي اين ماده افزايش يافت. تلاش‌هاي اوليه براي بهره برداري از پتانسيل ‏NiTi‏ به عنوان يك ماده ايمپلنت توسط جانسور و آلكلندري نيز در سال 1988 انجام شد.
در واقع ‏NiTi‏ به عنوان يك بيومتريال جذاب شناخته شده است و اين به دليل خاصيت حافظه‌پذيري و سوپر الاستيسيته آن است كه خواص كاملا جديدي در مقايسه با آلياژهاي فلزي معمولي هستند.
 تركيب ‏NiTi‏ در حالت كاملا آستينتي، عموما خواص مناسبي براي كاشت‌هاي مربوط به عمل جراحي دارد. يكي از خواص استثنائي كه در كاشت‌هاي مربوط به عمل جراحي مي‌تواند مفيد باشد ويژگي جذب ارتعاشات مكانيكي است. ‏NiTi‏ در دماي كمتر از ‏As‏ داراي قابليت جذب ارتعاش بالا و تقليل ارتعاشات مكانيكي است. به عنوان مثال چنانچه يك توپ ‏NiTi‏ در حالت مارتنزيتي از يك ارتفاع معيني سقوط كند، ارتفاعي كه بالا مي‌آيد كمي بيشتر از نصف ارتفاعي است كه يك توپ ‏NiTi‏ در در حالت آستنيتي بالا مي‌آيد. از نقطه نظر اورتوپدي اين خاصيت مي‌تواند مناسب باشد، به عنوان مثال براي تعديل كردن تنش ماكزيمم بين استخوان و اندام مصنوعي مفصلي. مدول الاستيك پايين ‏NiTi‏ (كه بيشتر نزديك به مدول الاستيك استخوان است تا هرماده ايمپلنت ديگر) مي‌تواند در كاربردهاي ويژه مزايايي داشته باشد. ‏NiTi‏ داراي خواص انعطاف پذيري و خستگي منحصر به‌ فرد و همچنين مقاومت سايشي بسيار بالايي است كه مربوط به تغيير شكل مارتنزيتي آن است. اين خواص در ايمپلنت‌هاي ارتوپدي مناسب هستند. ‏NiTi‏ يك آلياژ غير مغناطيسي است، لذا عكس‌برداري ‏MRI‏ را نيز ممكن مي‌سازد.
براي كاربردهاي بيو مواد اورتوپدي، دو خاصيت مهم، استحكام (مكانيكي) و واكنش پذيري (شيميايي) مهم است. معمولا دو كاربرد مكانيكي اساسي براي ماده و طراحي ايمپلنت وجود دارد. تنش‌هاي كاري از لحاظ ايمني بايد پايين تر از استحكام تسليم ماده باشند و در تنشهاي دوره‌اي، تنش كاري بايد كمتر از حد خستگي در نظر گرفته شود. همان‌طور كه در شكل5 نشان داده شده، خواص مكانيكي تركيب بين فلزيNiTi‏ بسيار نزديك به بافتهاي بدن است. از طرفي سازگاري خوب اين ماده با محيط بدن و حافظه‌پذيري آن منجر به كاربردهاي بسيار وسيع ‏NiTi‏ در صنايع پزشكي شده است كه در ادامه به برخي از اين كاربردها اشاره شده است.‏

پليت‌هاي استخوان
پليت‌هاي استخوان براي كمك به جوش خوردن استخوان‌هاي آسيب ديده و شكسته شده استفاده مي‌شوند. شكل6 پليت‌هاي فيكس كردن استخوان شكسته را نشان مي‌دهد. طرز كار اين پليتها به اين صورت است كه ابتدا پليت‌هاي ‏NiTi‏ روي محل شكستگي گذاشته مي‌شوند و با اعمال فشار خفيفي استخوان‌هاي آسيب ديده در كنار هم قرار مي‌گيرند كه اين امر منجر به تسريع فرايند جوش خوردن استخوان مي‌شود. پس از چندين روز تنش اعمالي حذف شده و محل شكستگي ديگر تحت فشار نخواهد بود. استفاده از ‏NiTi‏ براي تهيه پليت‌هاي استخواني در مقايسه با تيتانيوم و فولادهاي ضدزنگ بسيار مناسب تر است. زيرا آلياژ نيكل- تيتانيم به كار رفته در پليت‌هاي استخواني، ابتدا در پتانسيل خوردگي تا زير دماي بحراني سرد شده و سپس در محل شكسته فيكس مي‌شوند. زماني كه حرارت بدن به اين پليت‌ها منتقل شده و دماي آنها به دماي بدن مي‌رسد، ‏NiTi‏ شروع به كم كردن فشار بار پتانسيل خوردگي اعمالي تعبيه شده در محل شكستگي مي‌كند در حاليكه اين فشار در پليت‌هاي از جنس فولاد زنگ نزن و تيتانيومي ادامه مي‌يابد.
فيلترهاي لخته خوني
يكي از كاربردهاي ‏NiTi‏ در فيلترهاي لخته خون است. در اين كاربرد، شبكه‌هاي بسيار ريزي از جنس ‏NiTi‏ از طريق سرخرگ يا سياهرگ به داخل وريد تزريق مي‌شود تا لخته‌هاي خوني مزاحم را به دام بيندازند. شكل 7 فيلترهاي لخته خون را نشان مي‌دهد. همان‌طور كه در سمت چپ شكل ديده مي‌شود اين ميله‌هاي بلند با سرد كردن در محلول سالين به صورت بسته شده حفظ مي‌شوند. با وارد شدن اين ميله‌ها به بدن، در اثر حرارت بدن و افزايش دما فيلترها در رگ‌ها باز شده و عمل فيلتر لخته‌هاي خون را انجام مي‌دهند. شكل باز شده فيلترها در سمت راست شكل 7 نشان داده شده است.‏
استنت2
استنت وسيله اي براي درمان بيماري انسداد شرائين قلب است. از جمله محل‌هاي مورد استفاده از استنت‌ها در سرخرگ، سياهرگ، رگ‌هاي خوني، مجاري صفراوي و مري است. در شكل 8 تصويري از استنت مشاهده مي‌شود. براي نصب استنت در داخل عروق ابتدا فاز مارتنزيتي از شكل اصلي به حالت متراكم شده تبديل و پس از قرار دادن در محل مورد نظر به شكل خود بر مي‌گردد. اين وسيله در يك شكل دفرمه وارد مي‌شود و با رسيدن به دماي بدن منبسط مي‌شود تا شريان‌ها را باز كند و جريان خون را افزايش دهد. استفاده از تركيب ‏NiTi‏ در ساخت استنت به دليل حافظه‌پذيري و سازگار بودن اين تركيب با محيط بدن است. همان‌طور كه پيش از اين نيز اشاره شد اين دو ويژگي منحصر به فرد تركيب ‏NiTi‏ باعث شده تا كاربردهاي بسيار زيادي در صنايع پزشكي داشته باشد.‏

‏ ماهيچه‌هاي رباتيك
تلاش‌هاي زيادي صورت گرفته تا بتوان به وسيله تجهيزات مكانيكي، اعضاي متحرك بدن را بازسازي كرد. راه حل‌هاي زيادي براي حل اين مشكل توسط علم رباتيك ارائه شده است؛ از جمله استفاده از ماهيچه‌هاي كنترل شونده به وسيله فشار هوا، مواد پيزوالكتريك يا آلياژهاي حافظه‌دار. در اين ميان به‌كارگيري آلياژ حافظه‌دار نيكل-تيتانيوم به عنوان ماهيچه‌هاي رباتيك، مورد هدف بسياري از محققين در نقاط مختلف دنيا است.‏

ساير كاربردهي پزشكي
از جمله ساير كاربردهاي ‏NiTi‏ در سيم‌هاي دنداني و اورتودنسي است. در مقايسه با فولادهاي زنگ نزن،‏NiTi‏ براي كاربردهاي دندان‌پزشكي بسيار مناسب تر است. زيرا ‏NiTi‏ مانند فنر عمل كرده و يك نيروي مداوم و ملايم (در مقابل فشار ناراحت كننده و متناوب فولاد‌هاي زنگ نزن) را به كار مي‌گيرند تا دندان‌هاي تغيير يافته را اصلاح كنند. ساخت ابزار و وسايل جراحي نيز از جمله كاربردهاي ديگر اين تركيب است. شكل 9 نمونه اي از اين كاربردها را نشان مي‌دهد.

     ‏
مراجع
‎[1] T. Duerig, A. PELTON, An overview of nitinol medical applications, Materials Science and Enginieering ( 1999) pp. 451.‎
‎[2] J. L. Murray, Phase Diagrams of Titanium Alloys, ASM International (1987) pp. 197. ‎
‎[3] L. Jiang, B. Rong, Effect of hydroxyapatite coating on nickel release of the porous NiTi shape memory alloy fabricatred by SHS, Surface Coating & Technology (2006) pp. 798.‎
‎[4] H. Ghu, Chang, L. Lin, P. Wang, Fabrication and properties of porous NiTi shape memory alloys for heavy load-bearing, Medical Application,material Processing Technology (2005) pp. 765.‎
‎[5] B. Yuan , C.Y. Chung, M. Zhu, Microstructure and martensitic transformation behavior of porous NiTi shape memory alloy prepared by hot isostatic pressing processing, Materials Science and Engineering A 382 (2004) pp. 181.‎
‎[6] T. Duerig, A. Pelton, D. Stockel, An overview of nitinol medical applications, Materials Science and Engineering A273-275 (1999) pp. 149.‎
‎[7] B. Li, Y. Rong and V.E. Gjunter, Electric resistance phenomena in porous Ni-Ti shape-memory alloys produced by SHS, Scripta Materialia, Vol. 44 (2001) pp. 823.‎
‎[8] C. Greiner, M. Scott, and D. Dunand, High strength, low stiffness, porous NiTi with superelastic properties, Acta Biomaterialia, Vol. 1(6) (2005) pp. 705.‎
‎[9] E. Hornbogen, V. Mertinger, and D. Wurzel, Microstructure and tensile properties of two binary NiTi-alloys, Scripta Materialia, Vol. 44(1) (2001) pp. 171. ‎
‎[10] Z. Lekston, J. Drugacz and H. Henryk, Application of superelastic NiTi wires for mandibular distraction, Materials Science and Engineering A, Vol. 378(1-2) (2004) pp. 537.
[11] S. Mandl, PIII treatment of Ti alloys and NiTi for medical applications, Surface and Coatings Technology, Vol. 201(15) (2007) pp. 6833.‎
‎[12] K. Johansen, H. Voggenreiter, and G. Eggeler, On the effect of TiC particles on the tensile properties and on the intrinsic two way effect of NiTi shape memory alloys produced by powder metallurgy, Materials Science and Engineering A, Vol. 273 (1999) pp. 410.
[13] C.L. Yeh, and W.Y. Sun, Synthesis of NiTi intermetallics by self-propagating combustion, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 376(1-2) (2004) pp. 79.
[14] A. Takasaki, Mechanical alloying of the Ti-Ni system, Physica Status Solid a-applied research, Vol. 169 (1998) pp. 183.‎
‎[15] X. Han, W. Zou, R. Wang, S. Jin, Z. Zhang, T. Li, and D. Yang, Microstructure of TiNi shape-memory alloy synthesized by explosive shock-wave compression of Ti-Ni powder mixture, Journal of Materials Science, Vol. 32 (1997) pp. 4723.‎
‎[16] http://www.mnemoscience.com

شكل 1- دياگرام تعادلي ‏Ni-Ti‏ و موقعيت تركيب ‏NiTi‏
شكل 2- نمودار تنش-كرنش نيتينول در مقايسه با فولاد
جدول 1- مجموعه خواص ‏NiTi‏ ‏
شكل3- تغيير وضعيت ‏NiTi‏ تحت بارگذاري در دماهاي مختلف
‏شكل4- ايجاد خاصيت حافظه‌پذيري ‏NiTi‏ با تغيير دما
‏شكل5 - نمودار تنش-كرنش‏NiTi‏ در مقايسه با بافتهاي بدن
شكل6- پليت‌هاي فيكس كردن استخوان شكسته

شكل 7- فيلترهاي لخته خون در حالت باز و بسته
شكل8- تصويري از استنت ( باز كننده رگهاي مسدود شده )
شكل 9- ساير كاربردهاي ‏NiTi